Файл: Исходные данные.docx

Оглавление

Введение

Газотурбинной установкой ГТУ называют тепловой двигатель, состоящий из трёх основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. На рисунке 1 представлена схема простой ГТУ. Принцип действия установки сводится к следующему. Атмосферный воздух сжимается компрессором К и при повышенном давлении подаётся в камеру сгорания КС, куда одновременно подают жидкое топливо топливным насосом ТН или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива поступает внутрь жаровой трубы ЖТ; второй – обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при почти постоянном давлении. Получающийся после смешения потоков газ поступает в газовую турбину Т, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу.

Развиваемая турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть является полезной мощностью газотурбинной установки.



Рисунок 1

В цикле простой ГТУ газы покидают температуру при высокой температуре, что является основной причиной низкой энергетической эффективности подобных установок. Одним из путей использования теплоты уходящих газов является применение теплообменных аппаратов – регенераторов, в которых уходящие

---

газы отдают часть своей теплоты воздуху, сжатому в компрессоре. Схема ГТУ с регенератором показана на рисунке 2.

Цикл простой ГТУ без учёта потерь в воздушном и газовом трактах представлен в T, s - диаграмме на рисунке 3, а. Точка a определяется начальными параметрами воздуха перед компрессором. Линия ab соответствует процессу сжатия воздуха в компрессоре до параметров p_b и T_b, а линия ab' – изоэнтропийному сжатию до того же конечного давления p_b и температуры T_bt. Линией bc изображён процесс изобарического подвода теплоты в камере сгорания. Линия cd соответствует процессу расширения газа в турбине до давления p_d, cd' – изоэнтропийному расширению до того же давления p_d. Линия da – условное замыкание цикла. На самом деле в точке d продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Следует отметить, что изображение всего цикла ГТУ на одной диаграмме условно, поскольку построено для одного неизменного вещества, в то время как процессы, составляющие цикл соответствуют разным веществам. Так в процессе сжатия в качестве рабочего тела выступает воздух, в процессе расширения – продукты сгорания, а процесс в камере сгорания в результате химической реакции протекает при переменном составе рабочей среды. Несмотря на это, условность изображения цикла позволяет с достаточной точностью проводить определение характеристик ГТУ.



Рисунок 2


Рисунок 3

Процесс ГТУ с регенерацией в T, s - диаграмме изображён на рисунке 3, б. Линия be соответствует нагреву воздуха, а линия df – охлаждению продуктов сгорания в регенераторе.

В настоящее время ГТУ применяются для различных целей. Широкое распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В авиации газотурбинный двигатель занимает ведущее место, почти полностью вытеснив двигатель внутреннего сгорания. На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ используются в качестве двигателей для привода газоперекачивающих компрессоров. При этом топливом служит газ, отбираемый из магистральной линии.

В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ в качестве

---

резервных и пиковых источников энергии, а также в составе парогазотурбинных установок (ПГУ). В ПГУ отходящие от ГТУ газы подаются в котёл-утилизатор, где вырабатывается водяной пар, подаваемый в паровую турбину, которая вырабатывает дополнительную мощность.

ГТУ находят применение также в качестве теплофикационных установок. В этом случае газы из турбины подаются в специальный котёл или водяной подогреватель. Уменьшение температуры уходящих газов вызывает значительное возрастание КПД установки, а сама установка оказывается проще и дешевле соответствующей паротурбинной установки.

В промышленности ГТУ широко применяются в доменном производстве для привода воздуходувок, которые подают воздух повышенного давления в печь. При этом топливом для установки служит доменный газ – побочный продукт доменного производства.

В качестве двигателя ГТУ наряду с другими типами двигателей используются на железнодорожном транспорте, в торговом и военно-морском флоте. Автомобиль с газотурбинным двигателем пока ещё находится в стадии разработки.

Таким образом, ГТУ является перспективным и широко распространённым тепловым двигателем.

---

Исходные данные

I. Исходные данные задаются преподавателем индивидуально каждому студенту из диапазона рекомендуемых значений:

1. Электрическая мощность N_э = 54 МВт;

2. Температура газов перед турбиной t_c = 1380 К;

3. Температура газов на входе в компрессор t_a = 300 К;

4. Степень регенерации теплоты σ = 0;

II. Параметры, выбираемые самостоятельно из числа рекомендуемых значений:

1. 
   КПД камеры сгорания η_кс = 0,98
   
2. 
   Коэффициент потерь давления проточной части ГТУ λ₁ = 0,97
   
3. 
   Коэффициент, учитывающий потери давления в системах всасывания воздуха и выхлопа газов λ₂ = 0,97
   
4. 
   Механический КПД турбоагрегата η_м = 0,98
   
5. 
   КПД электрического генератора η_эг = 0,99
   
6. 
   Изоэнтропийный КПД турбины η_т = 0,89
   
7. 
   Изоэнтропийный КПД компрессора η_к = 0,87
   
8. 
   Коэффициент утечек в проточной части α_у = 0,01
   

1. Выбор оптимальной степени повышения

давления в компрессоре ГТУ

Оптимальная степень повышения давления в компрессоре для выбранной схемы ГТУ определяется из условия обеспечения максимального КПД на расчётном режиме работы установки. Для газотурбинной установки с регенерацией КПД определяется по следующей формуле

(1.1)

где - КПД камеры сгорания; ; - средняя теплоёмкость газов в интервале температур ; - средняя теплоёмкость процесса подвода тепла в камере сгорания; - средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур ; ;

---

- степень повышения давления в компрессоре; - отношение давлений в турбине; - коэффициент, учитывающий потери давления газа в проточной части установки; - коэффициент, учитывающий потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной; - коэффициент, учитывающий потери давления в системах всасывания воздуха (перед компрессором) и выхлопа газов (за турбиной); - КПД турбины; - КПД компрессора; - показатель изоэнтропы воздуха в процессе сжатия в компрессоре; - показатель изоэнтропы газов в процессе расширения в турбине.

Методика определения оптимальной степени повышения давления состоит в следующем. По формуле 1.1 определяют КПД установки с определённым интервалом для различных значений степени повышения давления в компрессоре. При этом допустимо пренебречь влиянием изменения теплоёмкости в цикле, т. е. принять . В расчёте принимают . Результаты сводят в таблицу 1.1 и используют для построения зависимости , представленной на рисунке 1.1.

Таблица 1.1

Степень повышения давления в компрессоре, ε	КПД установки, %
5	0,288157
6	0,307996
7	0,322521
8	0,333423
9	0,341724
10	0,348083
11	0,352945
12	0,356623
13	0,359347
14	0,361287
15	0,362573
16	0,363307
17	0,363567
18	0,363420
19	0,362916
20	0,36210

---